CC BY
100
УДК 550.837.61
МАКЕТИРОВАНИЕ АППАРАТУРЫ
МАЛОГЛУБИННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ И РАДИАЛЬНО-ЧАСТОТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Евгений Вячеславович Балков
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга, 3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории электромагнитных полей, тел. (383)330-49-55, e-mail: BalkovEV@ipgg. sbras.ru
Александр Константинович Манштейн
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга, 3, доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории электромагнитных полей, тел. (383)330-49-52, e-mail: MansteinAK@ipgg.sbras.ru
В работе освещается разработка новой компактной аппаратуры электромагнитного профилирования и радиально-частотного зондирования. Она основана на новом способе компенсации первичного поля и имеет определенные преимущества. Компенсация прямого поля генератора выполняется специальным расположением измерительной катушки, используются два зондирующих параметра - разнос и частота, за счет разнесения генераторной и приемных катушек по высоте упрощается форма отклика от локальных аномалий по электропроводности. Были произведены макетирование новой аппаратуры и экспериментальные измерения, которые подтверждают теоретические предпосылки и дают основания для оптимального выбора разносов и частот при прототипировании серийного устройства для электромагнитного профилирования.
Ключевые слова: электромагнитное профилирование, радиально-частотное зондирование
PROTOTYPE OF THE EQUIPMENT FOR SHALLOW DEPTH ELECTROMAGNETIC PROFILING AND RADIAL-FREQUENCY SOUNDING
Evgeny V. Balkov
Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyuga 3, Ph. D., Chief Scientist, tel. (383)330-49-55, e-mail: BalkovEV@ipgg.sbras.ru
Alexander K. Manstein
Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyuga 3, Ph. D., Principal Scientist, tel. (383)330-49-52, e-mail: MansteinAK@ipgg.sbras.ru
Over the past several decades a number of single and multiple frequency electromagnetic sensors have been successfully developed and widely applied. All the existing equipment have the number of disadvantages. In the Institute of Petroleum Geology and Geophysics the new device for electromagnetic profiling is under development. It is based on a new approach of primary field cancellation and has some advantages. In this study a prototyping of new device and its field testing were performed. The presented results make possible the optimal choice of the Tx-Rx interspacing and the frequencies to be used in the new electromagnetic equipment.
Key words: electromagnetic profiling, radial-frequency soundings.
Введение
Электромагнитные индукционные методы весьма популярны при малоглубинных геофизических изысканиях. Они активно используются в экологических, инженерных, археологических и агрокультурных исследованиях. В последние десятилетия был разработан и успешно применяется ряд одночастотных и многочастотных электромагнитных приборов. Наиболее широкое применение аппаратура находит в задачах электромагнитного профилирования на одной или нескольких частотах. При всем разнообразии исполнения аппаратура обладает рядом недостатков. Если не выполняется компенсация первичного поля (электромагнитное поле генератора в воздухе), то уменьшается информативность сигнала, так как уровень полезного сигнала относительно первичного поля сравним с уровнем шума [Балков и Манштейн, 2006]. Схемы с компенсацией первичного поля двумя измерительными катушками работают лучше, но их настройка и калибровка требуют применения сложных электротехнических схем и конструкционных решений. Кроме того, в случае двух- или трехкатушечных устройств, один подземный объект (аномалия в электропроводности), расположенный вблизи поверхности, может обеспечивать на регистрирующем устройстве два или три образа, что затрудняет интерпретацию [Балков и др., 2013].
В Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука (ИНГГ) СО РАН ведется разработка новой компактной аппаратуры электромагнитного профилирования и частотного зондирования, которая будет лишена описанных недостатков.
Схема и особенности аппаратуры
В ИНГГ СО РАН были запатентованы способ и устройство для индукционного частотного зондирования [Манштейн и Балков, 2013]. Где был предложен новый способ компенсации прямого поля генераторной катушки, заключающийся в расположении приемной катушки на линии, вдоль которой вертикальная компонента напряженности магнитного поля равна нулю (рис. 1).
Рис. 1. Аппаратура радиально-частотного зондирования и электромагнитного профилирования: запатентованная схема
расположения генераторной и приемных катушек (слева), макет аппаратуры (справа)
Представленная схема позволяет компенсировать прямое поле одной измерительной катушкой и обуславливает существенное преобладание одного экстремума в кривой сигнала при профилировании над аномальным по удельному электрическому сопротивлению объектом. Последнее было теоретически подтверждено, например, в работе [Балков, 2011].
Для подтверждения описанных выше теоретических предположений было выполнено макетирование аппаратуры и проведён ряд экспериментальных работ.
Макет аппаратуры был выполнен в соответствии со схемой, представленной на рис. 1, состоял из пяти приемных катушек с разносом от 0.5 м (1й зонд) до 2.5 м (5й зонд) и позволял выполнять измерения мнимой (синфазной) и реальной (квадратурной) компонент э.д.с. на 14-ти частотах (от 2.5 до 250 кГц).
Экспериментальные работы
На территории обсерватории «Ключи» (ИНГГ СО РАН), расположенной вблизи Новосибирского Академгородка, находится электрометрический полигон, предназначенный для испытаний существующих и новых разработок в области малоглубинной геофизической аппаратуры [Балков и др., 2013]. На полигоне созданы 10 квадратных площадок по 100 м2 каждая, на которых заложено 33 объекта (металлические листы, бочки, фляги; металлические и пластиковые трубы, канистры; имитации мин, бомб, снарядов и т.п.).
В ходе испытаний были проведены измерения вдоль нескольких опорных профилей.
Полученные экспериментальные результаты были представлены в виде графиков мнимой компоненты сигнала, реальной компоненты сигнала и модуля сигнала. На каждом из графиков изображен сигнал для одной из четырнадцати частот для одной из пяти приемных катушек. Ниже продемонстрированы некоторые из них (рис. 2).
Каждая из компонент по-своему интересна. Например, аномалии на четвёртом профиле над первыми двумя объектами (авиационная бомба, на глубине 2 м, большой железный лист, на глубине 1 м) присутствует только у мнимой компоненты сигнала. Эти аномалии небольшие, сравнительно с аномалиями над другими объектами, и немного сдвинуты, относительно расположения объектов. Но в любом случае, на графиках реальной компоненты сигнала и модуля сигнала данные аномалии абсолютно не прослеживаются.
Реальная компонента сигнала имеет особенность в том, что на первом профиле аномалия от второго объекта (фляга, на глубине 2 м) присутствует только на этом типе сигнала при том, что аномалия образована точно над объектом и довольно выражена. К этому добавляется еще тот факт, что только на реальной компоненте сигнала появляется небольшая аномалия (в виде
увеличения сигнала) над четвертым объектом (бочка, на глубине 2.5 м) на первом профиле.
Выше были описаны свойства аномалий на некоторых профилях. Теперь рассмотрим остальные аномалии над объектами. Аномалии над первым и третьим объектом (фляга 0.5 м, бочка 0.9 м) на первом профиле проявляются одинаково хорошо на обеих компонентах и модуле сигнала.
Пр1.к2.Мним.ГО8
Фляга (0.5 м) Фляга (2 м) Бочка (0.9 м) Бочка (2.5 м)
С
Я
<
Пр2а.к2.Мним.ГО9
Бочка (1.3 м) Бочка (1.8 м)
С
Э -320 •
1
-л п Л
4 г > л
\ / V /
1 Г Ч г
> V 1
(
\ А
V
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Расстояние, м
Пр4.к1.Реал.А1
Ж. круг. лист (0.5 м) Ал. лист (0.5 м) Бомба (2 м) Б. ж. лист (1 м) Мед.круг.лист(0.5 м)
0123456789 10 Расстояние, м
Пр5.к2.Мод^6
Ж.трубы(1.1м) Пл.бут.(0.5м) Гор. ж. лист (2 м) Мины (1.5 м) Пл.бут.(0.8м)
2000
С
ЕТ
<
И 1500
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 16 17 1 19 20 Расстояние, м
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Расстояние, м
Рис. 2. Различные компоненты сигнала макета аппаратуры электромагнитного профилирования
200
-240
-280
0
-360
0
-2000
На втором профиле аномалия над первым объектом (бочка 1.3 м) четко выражена на всех типах сигнала. А аномалия над вторым объектом четко выделяется только на мнимой компоненте сигнала и модуле сигнала. На реальной компоненте сигнала данная аномалия смазывается и не имеет четкого пика. Аномалии над последними тремя объектами (железный круглый лист 0.5 м, медный круглый лист 0.5 м, алюминиевый лист 0.5) на четвертом профиле явно выражены и не сдвинуты от реального расположения объектов на всех компонентах сигнала и на модуле сигнала.
На пятом профиле на всех типах сигнала отчетливо выделяется только одна аномалия над первым объектом (горизонтальный железный лист 2 м). Аномалии над вторым и третьим объектом (мины 1.5 м, железные трубы 1.1 м) не очень сильные, на реальной компоненте аномалия от третьего снаряда абсолютно не прослеживается. Аномалии над четвертым и пятым объектом (пластиковые бутылки 0.8 м, пластиковая бутылка 0.5 м) выделяются только
на мнимой компоненте сигнала и модуле сигнала. На реальной компоненте сигнала аномалии над четвертым объектом не выделяется вовсе, над пятым объектом аномалия немного сдвинута к концу профиля.
Всего в ходе работы было проанализировано 840 диаграмм, на которых для каждого из объектов (16 шт), для конкретной катушки (5шт), для конкретной компоненты (3 шт) и на каждой частоте (14 шт) были оценены величины аномального сигнала (всего 3360 значений).
Выводы
Полученные результаты в основном касались изучения характера сигнала над локальными неоднородностями в плане, а не по глубине. Поэтому они могут быть использованы для разработки аппаратуры электромагнитного профилирования.
По результатам кропотливого анализа данных были выделены наиболее оптимальные параметры для создания опытного образца новой компактной аппаратуры электромагнитного профилирования. В этом устройстве будет использоваться одна приемная катушка (первый зонд, с1, разнос 0.5 м). Такая конфигурация была выбрана по нескольким причинам. Первая заключается в том, что этот зонд имеет хорошо выраженные аномалии над большинством объектов. Вторая причина - эргономичность такой аппаратуры, поскольку приёмная катушка отнесена от генератора всего лишь на 0.5 м, следовательно, эффективность новой аппаратуры, направленной на профилирование, по соотношению информативность к размеру, весу, стоимости и пр., будет максимальна.
Рекомендуется обеспечить излучение электромагнитного поля на двух частотах, Первая частота будет выбрана из диапазона 10-15 кГц, вторая из диапазона 100-250 кГц. При использовании двух этих диапазонов частот было выделено большинство объектов и получены высокие значения сигнала в единицах АЦП.
Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума СО РАН (Интеграционный проект 2012-2014 гг. № 118) и Гранта президента Российской Федерации (грант МК-7132.2013.5).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Балков Е. В., Манштейн А. К. Сравнение характеристик двухкатушечной и трехкатушечной реализации индукционных зондов для малоглубинного частотного зондирования // Геофизический вестник. № 1. , 2006, С. 12-17.
2. Балков Е. В. Множественные образы в сигнале от локальных объектов при электромагнитном профилировании компактным зондом с разнесенными катушками // Всероссийская школа по электромагнитным зондированиям земли. 2011. СПб. 4 с.
3. Балков Е.В., Стойкин Т.А., Манштейн А.К., Карин Ю. Г. Результаты применения наземного малоглубинного частотного зондирования на электроразведочном полигоне ИНГГ СО РАН (г. Новосибирск) // Геофизические исследования, Т.14, № 3, 2013, С.55-63.
4. Манштейн А.К., Балков Е.В. Способ и устройство для индукционного частотного зондирования. Патент на изобретение № 2502092. Приоритет 01.08.2011.
© Е. В. Балков, А. К. Манштейн, 2014
